可控中子及X射線源測井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

張 鋒，田立立

(1.中國石油大學(xué)(華東)深層油氣重點實驗室，山東 青島 266580；2.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

隨著人們對健康、安全及環(huán)境(HSE)的重視程度不斷提高，基于同位素化學(xué)源的核測井技術(shù)在實際應(yīng)用中逐漸受到限制[1]?？煽刂凶釉醇癤射線源通過電子線路控制中子或X射線的發(fā)射與關(guān)閉，避免了對環(huán)境及人員的放射性危害，成為替代同位素源的有利選擇[2-3]。

可控中子源測井技術(shù)通過測量中子與地層物質(zhì)作用后產(chǎn)生的中子及伽馬射線，確定地層孔隙度、密度、油氣飽和度及地層元素含量，對應(yīng)的測井技術(shù)類別為可控中子孔隙度測井技術(shù)、中子伽馬密度測井技術(shù)、脈沖中子油氣飽和度測井技術(shù)和可控中子地層元素測井技術(shù)。可用于測井中的可控中子源包括D-T中子源及D-D中子源，D-D中子源產(chǎn)額及能量相對較低，因而D-T中子源成為目前常用的可控中子源[4-5]?？煽刂凶訙y井技術(shù)發(fā)展較早，已在國內(nèi)外開展大量理論方法及應(yīng)用研究，推出了一系列地層評價測井儀器，為油氣、礦產(chǎn)等資源勘探開發(fā)提供了良好的技術(shù)支持?？煽豖射線測井技術(shù)通過測量X射線管產(chǎn)生的X射線與地層發(fā)生散射或熒光輻射作用后的X射線，確定地層密度或井周元素含量，對應(yīng)的測井技術(shù)類別為X射線密度測井技術(shù)及X射線熒光測井技術(shù)[7-8]?？煽豖射線源測井技術(shù)研究相對較晚，隨著儀器結(jié)構(gòu)及電子器件工藝的不斷進(jìn)步，基于X射線管的地層密度及熒光測井技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展。本文對國內(nèi)外可控中子源測井及可控X射線源測井技術(shù)進(jìn)行綜述，以梳理技術(shù)原理及特征，進(jìn)而開展可控中子及X射線測井新技術(shù)及應(yīng)用研究。

1 可控中子及X射線源測井技術(shù)簡介

可控中子及X射線測井是以中子或X射線與地層物質(zhì)作用為物理基礎(chǔ)的核測井方法，由于采用的中子源或X射線源具有人工可控性，操作人員在儀器地面測試過程中不必長時間處于被輻射狀態(tài)，同時也不必?fù)?dān)憂源的遺失對自然環(huán)境造成的長期放射性危害?？煽刂凶訙y井通過測量快中子與地層發(fā)生非彈性散射、彈性散射、輻射俘獲、中子活化等作用后產(chǎn)生的中子及伽馬射線確定地層性質(zhì)?？煽豖射線測井通過測量X射線與地層發(fā)生散射及光電效應(yīng)等作用后的X射線計數(shù)及X射線光譜確定地層性質(zhì)。主要測井方法包括：可控中子孔隙度測井，可控中子油氣飽和度測井，可控中子伽馬密度測井，可控中子地層元素測井，X射線密度測井，X射線熒光測井等。

1.1 可控中子孔隙度測井

可控中子孔隙度測井采用可控中子源及兩個熱中子探測器或兩個伽馬探測器組成，與補償中子孔隙度原理類似，通過兩個探測器計數(shù)比值反映地層的中子減速能力，進(jìn)而表征地層孔隙度。不同類型的中子源，對應(yīng)的中子孔隙度測量靈敏度不同。如圖1所示，D-D中子源中子孔隙度響應(yīng)靈敏度最高，Am-Be源次之，D-T源最低[9]。由于D-D源產(chǎn)額相對較低，影響了孔隙度的測量精度，因而，可控中子孔隙度測量中，常用的中子源為D-T源。BF3管和He-3管為常用的熱中子探測器，Li-6玻璃晶體也可用于熱中子探測[10]。俘獲伽馬射線主要由熱中子發(fā)生輻射俘獲核反應(yīng)產(chǎn)生，因此，利用伽馬探測器測量俘獲伽馬計數(shù)同樣可反映地層孔隙度。利用伽馬探測器同時可測量伽馬能譜，進(jìn)而反映地層巖性及含油氣性等，在套后油氣監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用[11]。

圖1 三種源中子孔隙度測量靈敏度對比[9]Fig.1 Comparison of neutron porosity measurement sensitivity among three sources[9]

1.2 可控中子油氣飽和度測井

使用可控中子源以脈沖形式發(fā)射中子，在脈沖發(fā)射和關(guān)閉期間，利用伽馬探測器測量伽馬時間譜及伽馬能量譜。其中伽馬時間譜反映快中子發(fā)射后，在地層中產(chǎn)生的伽馬射線強度隨時間的變化規(guī)律，如圖2所示，當(dāng)?shù)貙恿黧w中含有較高熱中子俘獲能力的物質(zhì)如礦化水時，伽馬射線表現(xiàn)為更快的衰減規(guī)律，當(dāng)?shù)貙恿黧w為油氣時，伽馬射線衰減較為緩慢，因此，可通過伽馬時間譜衰減規(guī)律的不同反映地層含油氣性，利用熱中子探測器測量熱中子時間譜可達(dá)到同樣的探測效果，這類測井方法稱為中子壽命(俘獲截面)測井[12-13]?？熘凶优c地層物質(zhì)作用發(fā)生非彈性散射和輻射俘獲可分別產(chǎn)生非彈伽馬能譜及俘獲伽馬能譜，其中，非彈伽馬能譜主要在中子源發(fā)射期間產(chǎn)生，俘獲伽馬能譜主要在中子源關(guān)閉期間產(chǎn)生。地層中的碳元素與快中子發(fā)生作用可產(chǎn)生4.43 MeV的伽馬射線，氧元素與快中子發(fā)生作用產(chǎn)生以6.13 MeV為主的伽馬射線，因而在非彈能譜中的4.43 MeV和6.13 MeV能量左右會形成能峰，如圖2所示。分別在碳氧能窗范圍內(nèi)，獲取伽馬計數(shù)并做比值，稱為碳氧比。由于石油中的元素組成以碳元素為主，水中的元素組成以氧元素為主，因此可通過測量碳氧比反映地層含油特性，這類測井方法稱為碳氧比(C/O)測井[14-15]。中子壽命測井和碳氧比測井通過中子源的脈沖發(fā)射與關(guān)閉實現(xiàn)地層油氣信息的測量，因此又可統(tǒng)稱為脈沖中子油氣飽和度測井。

1.3 可控中子伽馬密度測井

可控中子伽馬密度測井是利用可控中子源發(fā)出的高能快中子與地層原子核相互作用釋放的次生非彈或俘獲伽馬射線進(jìn)行地層密度測量的一種測井方法[16-17]。如圖3所示，脈沖中子源向地層發(fā)射高能快中子，能量1 MeV以上的快中子會與地層原子核發(fā)生非彈性碰撞釋放出非彈伽馬射線；高能快中子經(jīng)過地層減速作用逐漸慢化成熱中子，熱中子被地層原子核俘獲放出俘獲伽馬射線。與傳統(tǒng)伽馬-伽馬密度測量類似，次生非彈或俘獲伽馬射線在地層中的輸運和衰減過程與地層密度緊密相關(guān)，通過探測器記錄次生伽馬射線在地層中的分布規(guī)律，可實現(xiàn)地層密度的測量。

1.4 可控中子地層元素測井

巖石由各種礦物和流體組成，可控中子元素測井能夠測量井周地層元素的含量，進(jìn)而獲取礦物、巖性和地層骨架等性質(zhì)[18-19]。由可控中子源發(fā)出的快中子與地層物質(zhì)發(fā)生快中子非彈性散射、熱中子俘獲等反應(yīng)。不同元素在與中子發(fā)生上述核反應(yīng)的過程中，放出的具有特征性的不同能量的伽馬射線，并記錄得到非彈伽馬能譜及俘獲伽馬能譜。表1為可控中子地層元素測井主要元素種類及特征能量，不同元素發(fā)生非彈或俘獲反應(yīng)的截面不同，因而針對不同元素種類采用的伽馬能譜有所不同。例如，C元素和O元素發(fā)生非彈反應(yīng)的截面較高，而發(fā)生俘獲反應(yīng)的截面較低，因此只能通過非彈伽馬能譜解析得到其含量。利用最小二乘法、加權(quán)最小二乘法等能譜分析方法獲取地層元素產(chǎn)額。元素產(chǎn)額在一定程度上可以反映礦物中的元素百分比含量，無法直接用于地層評價。通常根據(jù)不同巖性剖面建立氧化物閉合模型，從而計算得到地層的元素含量，最終利用轉(zhuǎn)換系數(shù)法獲取地層礦物含量及有機碳含量等參數(shù)，應(yīng)用于儲層評價[20]。與碳氧發(fā)生非彈性散射需要較高的能量閾值，因而一般采用的可控中子源為D-T中子源。地層元素測量對能譜的質(zhì)量要求較高，采用的伽馬探測器包括具有高探測效率的BGO閃爍晶體探測器及高能量分辨率LaBr3閃爍晶體探測器[21-22]。

圖2 不同地層流體伽馬時間譜及非彈伽馬能譜Fig.2 Gamma time spectrum and inelastic gamma spectrum of fluids in different strata

圖3 可控中子伽馬密度測井示意圖Fig.3 Controlled neutron gamma density logging

1.5 X射線密度測井

X射線密度測井主要用于地層巖性密度測量，測量原理與Cs-137源巖性密度測井原理類似，不同的是X射線源能量相對較低。X射線管產(chǎn)生X射線進(jìn)入地層，與地層物質(zhì)發(fā)生康普頓散射或光電效應(yīng)，地層密度越高對X射線的散射能力越強，利用一定源距處的閃爍晶體測量X射線計算地層密度及光電吸收指數(shù)(Pe)。X射線密度測井需要X射線的能量較高，一般需要大于150 keV，從而產(chǎn)生足夠多的可發(fā)生康普頓散射的X射線。利用兩個源距的閃爍晶體測量X射線，從而通過脊肋圖校正泥餅影響[7-8]。X射線密度測井的X射線測量能量范圍約為0.01～0.3 MeV，利用小于0.1 MeV能段反映地層光電吸收截面指數(shù)，利用大于0.1 MeV能段的X射線反映地層密度[23]。如圖4所示，為可控X射線源與Cs-137源密度測井中得到的伽馬能譜對比[8]。

1.6 X射線熒光測井

X射線熒光測井通過測量X射線管與井壁物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生的X射線熒光輻射能譜，確定井周元素含量，對原子序數(shù)大于40的元素具有良好的測量效果[24]。X射線熒光測井受井壁間隙影響較大，測井過程中需要測量裝置緊貼井壁。圖5為X射線熒光測井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由于井壁的局部變化未知，探測窗一側(cè)與井壁是否在各測量點處于緊密接觸狀態(tài)也未知，探頭與被測井壁之間仍會充有一層井液(毫米級別)，因而在探頭緊密貼井壁的前提下，仍需校正井液對X熒光測井結(jié)果的影響[25]。與X射線密度相比，X射線熒光對的X射線源的能量要求較低，X射線能譜測量的范圍也相對較低，例如，對于鉛元素的測量，分別以鉛的Lα(10.55 keV)和Lβ(12.61 keV)特征譜線為分析線進(jìn)行鉛元素含量分析。

表1 可控中子地層元素測井主要元素種類及特征能量Table 1 Main element types and characteristic energy of element logging in controlled neutron formation

圖4 可控X射線源與Cs-137源密度測井伽馬能譜對比[8]Fig.4 Contrast of gamma spectrum between controlled X-ray source and Cs-137 source density log[8]

圖5 X射線熒光測井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[25]Fig.5 Structure of X-ray fluorescence logging system[25]

2 可控中子及X射線源測井技術(shù)發(fā)展歷程

可控中子源測井技術(shù)于20世紀(jì)60年代推出，最初主要用于地層中子壽命及C/O的測量，進(jìn)行地層含油氣性質(zhì)的識別。隨著探測器及中子源工藝技術(shù)的進(jìn)步，可控中子地層元素測井和可控中子孔隙度測井技術(shù)也得到快速發(fā)展。X射線熒光測井最初采用放射性同位素，如57Co、238U、241Am等，20世紀(jì)90年代，國外開始微型X射線發(fā)生器的研發(fā)?；赬射線管的X射線密度測井技術(shù)同樣在20世紀(jì)90年代開始報道。

2.1 可控中子孔隙度測井技術(shù)

1991年斯倫貝謝公司推出最早的可控中子孔隙度測井儀APS[26]。APS由近、中、遠(yuǎn)3個超熱中子探測器和1個熱中子探測器組成，可實現(xiàn)中子孔隙度及中子壽命測量。2011年貝克休斯公司研制由D-T中子源與雙源距Li-6玻璃晶體組成的中子孔隙度測井儀，以應(yīng)對同位素放射性中子源的安全限制及He-3氣體供應(yīng)不足問題[10]。針對D-T、D-D及Am-Be中子源在孔隙度測量響應(yīng)特征，國內(nèi)外學(xué)者近年來也開展大量研究[4,9,27]，并采用包括密度校正及減速長度轉(zhuǎn)換的方法提高基于D-T中子源的孔隙度響應(yīng)靈敏度，達(dá)到與常規(guī)Am-Be源近似的孔隙度響應(yīng)結(jié)果[28-30]。采用D-T中子源和伽馬探測器進(jìn)行套后孔隙度測量，可實現(xiàn)與中子壽命及碳氧比的同時測量，提高了測井效率，非彈伽馬計數(shù)比及俘獲伽馬計數(shù)比的組合應(yīng)用，也可減少地層巖性對孔隙度測量結(jié)果的影響[31]。斯倫貝謝公司最新推出的TNXS套后孔隙度測井技術(shù)，利用非彈伽馬計數(shù)比校正俘獲伽馬計數(shù)比，以消除管柱環(huán)境對套后孔隙度測量結(jié)果的影響，并使得套后孔隙度測量結(jié)果與裸眼Am-Be中子孔隙度測量結(jié)果一致，為基于可控中子源的地層孔隙度測量提供了新的技術(shù)手段[32]。

2.2 可控中子油氣飽和度測井技術(shù)

20世紀(jì)60年代Youmans等最早提出通過地層宏觀俘獲截面的測量，在已知的地層水礦化度地層中確定含油飽和度[12-13,33]。同一時期，Hoyer及Rumble等發(fā)展了碳氧比測井技術(shù)，利用地層中碳、氧元素與快中子作用產(chǎn)生的非彈性散射伽馬計數(shù)的比值確定含油飽和度[14-15]。1977和1978年斯倫貝謝公司報道利用IGT(inelastic gamma ray spectroscopy tool)進(jìn)行C/O測量，1979年推出第二代伽馬能譜儀器(gamma ray spectroscopy tool)GST[34]。1983年哈里伯頓公司推出TMD飽和度測井系列儀器，基于中子發(fā)生器和兩個伽馬閃爍晶體形成多窗衰減測井系統(tǒng)，可提高地層及井眼俘獲截面測量精度，同時通過近遠(yuǎn)伽馬探測器計數(shù)比值進(jìn)行孔隙度評價[35]。1991年斯倫貝謝推出新一代脈沖中子能譜儀器儲層飽和度儀(RST)，并進(jìn)一步發(fā)展了RST-A和RST-B等系列儀器，結(jié)合中子壽命模式碳氧比模式進(jìn)行含油飽和度測量，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[36]。同樣得到廣泛應(yīng)用的包括哈里伯頓公司推出油藏檢測儀RMT及貝克休斯公司的RPM飽和度測井技術(shù)[37-38]。近年來，隨著對儲層含氣性質(zhì)探測需求增多，多探測器飽和度測井技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，具有代表性儀器包括如Hunter Well公司推出的RAS飽和度測井儀[39]，Weatherford公司推出的CRE儲層評價測井儀[40-41]，斯倫貝謝公司推出的Plusar測井儀等，并提出FNXS含氣探測新方法[32]。

2.3 可控中子伽馬密度測井技術(shù)

Odom等在1994年最先提出利用脈沖中子技術(shù)進(jìn)行地層密度測量，并對康普樂脈沖中子衰減系統(tǒng)(PND-S)進(jìn)行了升級，結(jié)合了近遠(yuǎn)非彈及俘獲伽馬計數(shù)比進(jìn)行地層密度計算[16]。2005年斯倫貝謝公司首次推出含有可控中子伽馬密度測量短節(jié)的EcoScope隨鉆測量裝備，首次實現(xiàn)了隨鉆測井中的“無源”密度測量[17]。2012年斯倫貝謝公司再次推出NeoScope隨鉆多功能測井裝備，結(jié)合快中子及熱中子信息進(jìn)行伽馬校正，實現(xiàn)中子伽馬地層密度測量[42]。Rodriguez等基于EcoScope發(fā)現(xiàn)脈沖中子密度測量比用Cs-137源的密度測量的探測深度更深，這樣脈沖中子伽馬密度測量對泥漿濾液的侵入敏感度更小，對氣層儲層更好，還對泥漿濾液侵入較深的測量效果較好[43]。Inanc等針對中子伽馬密度測井中不同物理機制進(jìn)行了探討，研究了礦物組成和流體對快中子和伽馬源分布的影響；采用模擬計算和實驗數(shù)據(jù)對中子伽馬時間譜和能譜進(jìn)行了分析，更好的解釋了中子伽馬密度機理[44]。

2.4 可控中子地層元素測井技術(shù)

較早的關(guān)于可控中子元素能譜測井儀器的設(shè)計是20世紀(jì)80年代末斯倫貝謝公司推出的伽馬能譜測井儀(GST),采用可控中子源向地層發(fā)射能量為14 MeV的快中子，利用伽馬探測器探測由中子激發(fā)產(chǎn)生的次生伽馬射線，通過對能譜的解析獲取C、O、Cl、H、Si、Ca、Fe、S等元素含量[45]。2006年貝克休斯公司推出FLeX測井儀，由D-T脈沖中子發(fā)生器、BGO晶體閃爍探測器、高速的井下傳輸線路和高強度的鈦外殼組成，并采用相應(yīng)的中子和伽馬屏蔽體來消除井眼等環(huán)境伽馬的影響，利用硼套來減少非地層俘獲產(chǎn)生的伽馬射線[21]。2012年斯倫貝謝公司推出新一代元素測井儀LithoScanner[22]，儀器由脈沖中子源和高能量分辨率LaBr3伽馬探測器組成，獲取到俘獲和非彈能譜，利用俘獲譜可以得到18種元素含量，利用非彈譜可以得到包括C和O在內(nèi)的13種元素含量。

2.5 可控X射線密度測井技術(shù)

基于X射線的材料檢測技術(shù)具有久遠(yuǎn)的發(fā)展歷程，相關(guān)技術(shù)手段及應(yīng)用已發(fā)展的較為完善，但利用X射線技術(shù)進(jìn)行地層密度測量研究較少。1993年Bayless最早提出利用X射線進(jìn)行地層密度測量，建立了概念模型及儀器樣機并進(jìn)行了測試[7]。但在隨后的十幾年中相關(guān)研究報道較少，直至2018年斯倫貝謝公司推出采用高能X射線管(X射線端能大于300 keV)、1個X射線監(jiān)測器及4個GSO閃爍伽馬晶體組成的新型X射線密度測井儀[8,23]。該儀器的測量原理與傳統(tǒng)Cs-137密度儀器非常相似，可用于地層、井眼的密度及光電吸收截面指數(shù)測量，且具有較好的縱向分辨率及統(tǒng)計精度。

2.6 可控X射線熒光測井技術(shù)發(fā)展歷程

X射線熒光測井起源于20世紀(jì)60年代，主要采用同位素伽馬激發(fā)源，20世紀(jì)90年代末，國外公司開始微型X射線發(fā)生器的研發(fā)[24]，并開始在野外便攜式儀器中使用。我國基于X射線管的熒光測井儀基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，但使用的微型X射線管和半導(dǎo)體X射線探測器均是從國際市場上購買。目前，X射線熒光測井技術(shù)研發(fā)主要圍繞X射線管研制，X射線熒光探頭研制，儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計及井液校正方法研究等[25,46]。

3 可控中子及X射線源測井技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者在可控中子及X射線測井技術(shù)數(shù)值模擬，儀器研制及數(shù)據(jù)處理方法研究方面開展了大量研究，取得了一系列研究成果，推動了可控中子及X射線測井技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用。

3.1 可控中子及X射線測井?dāng)?shù)值模擬

蒙特卡羅數(shù)值模擬方法在可控中子及X射線測井儀器設(shè)計，方法研究及數(shù)據(jù)處理方面發(fā)揮了重要作用。針對不同測量方法，國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬方法開展了大量研究，為可控中子及X射線測井技術(shù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

在可控中子孔隙度測井方面，Badruzzaman等利用數(shù)值模擬方法，模擬對比了D-T中子源，D-T中子源，D-Li中子源及Am-Be源的中子孔隙度測井響應(yīng)。研究地層水礦化度對熱中子、超熱中子計數(shù)通量及比值測量的影響，結(jié)合實際中子源產(chǎn)額，分析不同中子源對孔隙度測量統(tǒng)計精度的影響[2]。模擬研究結(jié)果為可控中子孔隙度儀器設(shè)計及數(shù)據(jù)處理建立了理論基礎(chǔ)。在可控中子伽馬密度測井方面，Loomis等用利用蒙特卡羅模擬來研究使用脈沖中子源測量地層密度的方法和裝置，認(rèn)為脈沖中子源釋放的快中子與地層中的氧原子發(fā)生非彈散射而釋放的伽馬射線可以作為測量密度的一種次生伽馬源，并且測量快中子的衰減來對這種次生伽馬源的強度進(jìn)行校正[47]。在可控中子元素測井方面，Ajayi等利用數(shù)值模擬方法建立多礦物分層地層模型，并獲取各個深度點的非彈和俘獲伽馬能譜，利用最小二乘方法進(jìn)行能譜解析并計算元素含量，分別在元素較少和較多的情況下，對比不同深度點元素及礦物含量計算結(jié)果和理論值，模擬結(jié)果為實測元素能譜數(shù)據(jù)處理及元素能譜測井快速正演建立了基礎(chǔ)[48]。在X射線密度測井方面，Badruzzaman模擬研究了X射線密度測井可行性，對比了X射線密度測井與傳統(tǒng)Cs-137源響應(yīng)靈敏度及精度[3]。在X射線熒光測井方面，谷懿等利用蒙特卡羅方法模擬了不同Be窗厚度的出射X射線譜，通過模擬結(jié)果表明微型X射線管Be窗能夠有效屏蔽能量小于5 keV的低能X射線，結(jié)合模擬結(jié)果確定最為適合的Be窗厚度[46]。

3.2 儀器研制

可控中子及X射線測井儀器研制對技術(shù)的實際應(yīng)用具有重要意義。目前可控中子及X射線測井最為先進(jìn)的儀器包括EcoScope多功能測井儀器，NeoScope多功能測井儀器，LithoScanner可控中子元素測井儀器，Pulsar多功能飽和度測井儀器及四探測器X射線新型密度測井儀器。

3.2.1EcoScope多功能測井儀器[17]

EcoScope是斯倫貝謝公司2005年推出的多功能隨鉆測井儀器，如圖6所示。儀器適合的井眼條件為212.725～250.825 mm，最大的操作溫度和操作壓力分別為150 ℃和138 MPa。將地層評價、井位布置以及鉆井優(yōu)化測量集于一體，可以提供中子孔隙度、體積密度、雙頻陣列感應(yīng)電阻率、元素俘獲能譜、地層宏觀俘獲截面、成像測井(自然伽馬成像、伽馬-伽馬密度成像以及光電因子成像)、超聲波井徑、井斜以及鉆井參數(shù)測量(包括環(huán)壓、環(huán)溫等)。在儀器后端設(shè)置由D-T可控中子源和雙伽馬探測器和雙熱中子探測器組成的測量系統(tǒng)，實現(xiàn)可控中子孔隙度和中子伽馬密度同時測量。

圖6 EcoScope多功能測井儀器[17]Fig.6 Structure of X-ray fluorescence logging system[17]

3.2.2NeoScope多功能測井儀器[42]

圖7 NeoScope測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[42]Fig.7 NeoScope measurement system structure diagram[42]

NeoScope是斯倫貝謝公司2012年推出的新一代多功能隨鉆測井儀器，圖7為NeoScope測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。NeoScope多功能隨鉆測井儀器主要探測系統(tǒng)由D-T中子源，快中子監(jiān)測器，近遠(yuǎn)伽馬探測器及近遠(yuǎn)熱中子探測器組成，可實現(xiàn)中子孔隙度，中子伽馬密度，俘獲截面及元素能譜測量等。中子孔隙度測量范圍為1%～100%，孔隙度小于10%時，測量誤差小于0.5%，孔隙度在10%～50%時，測量誤差小于5.0%。地層密度測量范圍為1.7～2.9 g/cm3，在純砂巖、石灰?guī)r或白云巖中的密度測量誤差小于0.025 g/cm3，在頁巖中測量誤差小于0.045 g/cm3。

3.2.3LithoScanner可控中子元素測井儀器[22]

LithoScanner可控中子元素測井儀器是斯倫貝謝公司2012年推出的新一代元素測量儀器，如圖8所示。儀器探測系統(tǒng)由D-T中子源及高分辨LaBr3伽馬探測器組成。儀器可提供元素產(chǎn)額、元素含量、TOC、礦物含量、地層俘獲截面及骨架特性。最大測井速度為1 097 m/h。儀器探測深度為17.78～22.86 cm，縱向分辨率為45.72 cm，儀器耐溫177 ℃，耐壓138 MPa，儀器外徑1.5 in，適用的井眼條件為5.5～24 in。

圖8 LithoScanner可控中子元素測井儀器[22]Fig.8 LithoScanner controlled neutron element logging tool[22]

3.2.4Pulsar多功能飽和度測井儀器[11]

圖9 Pulsar多功能飽和度測井儀器[11]Fig.9 Pulsar multifunctional saturation logging tool[11]

2015年斯倫貝謝公司推出用于套后測量的Pulsar小直徑多功能可控中子飽和度測井儀器，如圖9所示。儀器主要探測系統(tǒng)由D-T中子源，快中子監(jiān)測器，近遠(yuǎn)LaBr3伽馬探測器及超遠(yuǎn)YAP探測器組成，可實現(xiàn)俘獲截面、孔隙度、快中子截面、元素含量、C/O和TOC等參數(shù)測量。儀器分布非彈伽馬能譜測量模式，GSH(含氣，俘獲截面和含氫指數(shù))測量模式，和俘獲截面巖性測量模式，對應(yīng)的默認(rèn)測量速度分別為：61 m/h，1 097 m/h和305 m/h。孔隙度測量范圍為0～60%。儀器耐溫175 ℃，耐壓103.4 MPa。儀器外徑1.72 in，適用的套管尺寸范圍為23/8～95/8in。

3.2.5四探測器X射線新型密度測井儀器[8]

斯倫貝謝公司2018年推出的四探測器X射線密度測井儀器，也是目前X射線密度測井方面唯一報道研究，如圖10所示，為四探測器X射線新型密度測井儀器結(jié)構(gòu)示意圖。X射線密度測井儀器由X射線管，4個GSO閃爍晶體探頭和1個X射線監(jiān)測器組成，X射線管產(chǎn)生的X射線能譜段能大于300 keV。儀器在不同泥餅厚度和泥漿類型時，近遠(yuǎn)探測器計數(shù)率圖顯示了類似于Cs-137密度測量儀的脊肋圖特性。儀器可輸出地層和泥餅密度，地層和泥餅光電截面指數(shù)。儀器外徑為5.3 in，測井速度默認(rèn)值為2 195 m/h，儀器耐溫105 ℃，耐壓83 MPa。

圖10 四探測器X射線新型密度測井儀器結(jié)構(gòu)示意圖[8]Fig.10 Structure of a new density logging tool with four detectors[8]

3.3 數(shù)據(jù)處理方法

可控中子及X射線源可通過時序控制中子源或X射線發(fā)射，相比同位素化學(xué)源，可同時獲取時間及能量域的射線信息，通過不同源距設(shè)計，也同時得到空間域的射線信息。結(jié)合能量、時間及空間測量信息，國內(nèi)外學(xué)者在數(shù)據(jù)處理方法研究方面也取得較多的重要突破。

3.3.1基于可控中子源的地層孔隙度計算

利用可控中子源和雙源距熱中子或伽馬探測器組成的探測系統(tǒng)進(jìn)行孔隙度計算，根據(jù)熱中子擴散規(guī)律，可直接采用近遠(yuǎn)源距熱中子或俘獲伽馬計數(shù)比與孔隙度的擬合關(guān)系計算地層孔隙度，但由于中子源的不同，直接利用計數(shù)比值方法的孔隙度探測響應(yīng)與Am-Be源相比靈敏度較低[9,49]。Fricke等結(jié)合地層密度、俘獲截面及減速長度研究了可控中子孔隙度數(shù)據(jù)處理，通過可控中子源減速長度向Am-Be源中子減速長度的轉(zhuǎn)換，使可控中子孔隙度達(dá)到與Am-Be源近似一致的效果，如圖10所示，在中子孔隙度測井中，校正后的可控源中子孔隙度與Am-Be孔隙度曲線及交會對比[29]，可以看出，二者具有良好的符合效果。Liu等根據(jù)地層密度對中子孔隙度測量結(jié)果的影響，對可控中子孔隙度進(jìn)行密度校正，提高了可控中子源測量靈敏度[28]。Zhou等結(jié)合俘獲伽馬計數(shù)比和非彈伽馬計數(shù)比在套后環(huán)境中進(jìn)行孔隙度計算，通過時間窗優(yōu)化選取及井眼校正，使得套后可控中子孔隙度測量結(jié)果達(dá)到與裸眼Am-Be源孔隙度測量結(jié)果近似一致[32]。

圖11 校正后的可控源中子孔隙度與Am-Be孔隙度曲線及交會對比[29]Fig.11 Corrected neutron porosity and Am-Be porosity curves of controllable source and their cross correlation[29]

3.3.2可控中子伽馬能譜解析方法及元素礦物含量計算

基于可控中子伽馬能譜進(jìn)行地層元素及礦物含量計算，包括伽馬能譜解析，元素產(chǎn)額向元素含量轉(zhuǎn)換，元素含量向礦物含量轉(zhuǎn)換等過程[50]，如圖12所示。針對伽馬能譜解析，通過建立不同元素標(biāo)準(zhǔn)譜，采用加權(quán)最小二乘方法進(jìn)行能譜解析，元素標(biāo)準(zhǔn)譜的準(zhǔn)確建立是元素產(chǎn)額計算的關(guān)鍵[51-52]。利用不同元素產(chǎn)額的比值可近似反映地層巖性信息，但由于不同元素的俘獲或非彈截面有所不同，單個元素產(chǎn)額不能直接應(yīng)用于地質(zhì)評價，需要利用氧化物閉合模型方法，進(jìn)行元素產(chǎn)額向元素含量的轉(zhuǎn)換[18-19]。當(dāng)儀器測量的元素種類不全，可通過修改元素氧化物指數(shù)，利用改進(jìn)后的氧化物閉合模型進(jìn)行元素含量計算[20]。針對非彈伽馬能譜獲取的地層元素信息有限，不滿足閉合模型，Herron等提出利用俘獲伽馬產(chǎn)額和非彈伽馬產(chǎn)額聯(lián)合計算元素含量[53]。元素含量向礦物含量的轉(zhuǎn)換對于預(yù)測一些巖石物理參數(shù)具有重要意義，一般情況下，當(dāng)?shù)V物的化學(xué)成分比較穩(wěn)定時，礦物中各元素的百分含量基本保持不變，成為元素含量向礦物含量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。Herron等通過對大量巖心礦物成分和元素組成進(jìn)行實驗分析，得到元素含量向礦物含量轉(zhuǎn)化的定量關(guān)系[54]。隨著元素含量計算精度提高及各種巖心資料數(shù)據(jù)的完善，可采用更多統(tǒng)計信息完成元素含量向礦物含量的轉(zhuǎn)換[55]。

3.3.3可控中子伽馬密度計算

基于可控中子源的地層密度計算為“無源”密度測量提供了新的手段。Jacobson等認(rèn)為儀器探測器的非彈性總計數(shù)率對地層密度非常敏感，俘獲計數(shù)率對地層含氫指數(shù)(HI)非常敏感，從而利用俘獲計數(shù)率校正受含氫指數(shù)影響的非彈性計數(shù)率比，校正后的非彈性計數(shù)率比被刻度后，利用回歸技術(shù)預(yù)測得到地層密度[56]。Gilchrist等基于一個脈沖中子源和3個或更多伽馬探測器，計算其結(jié)果的兩兩比值，每一種比值可以求得一個近似密度值，然后使用圖版的方法來確定一個更精確的密度值，通過選擇不同的探測器組合既可以在套管井中使用也可以在裸眼井中使用[57]。Guo等利用一個脈沖中子源和1個He-3中子探測器以及1個伽馬探測器，利用He-3測量的中子對伽馬求解的密度進(jìn)行校正[58]。于華偉等對Odom提出的γ擴散長度求取密度的方法進(jìn)行了改良，建立了快中子通量與γ擴散長度的乘積與地層密度的關(guān)系，求取密度結(jié)果精度提高[59]。Zhang等通過理論推導(dǎo)地層非彈伽馬場分布，提出中子伽馬耦合場理論，基于該理論建立了可控中子地層密度準(zhǔn)確計算方法[60]。

圖12 可控中子元素測井?dāng)?shù)據(jù)處理流程[50]Fig.12 Flow of controlled neutron element logging data processing[50]

3.3.4基于C/O與俘獲截面的含油飽和度計算

基于C/O和俘獲截面技術(shù)的含油飽和度計算是套后油氣監(jiān)測的常用手段。C/O測井技術(shù)受地層水礦化度影響小，適用于低礦化度或稠油地區(qū)，俘獲截面測井技術(shù)通過區(qū)分油水的熱中俘獲能力進(jìn)行含油飽和度計算，適用于礦化度較大的地層。Lawrence提出利用C/O和Si/Ca交會圖確定水線，根據(jù)孔隙度與油水線差值的關(guān)系確定油線，基于油水線的方法計算得到含油飽和度[61]。Roscoe通過實驗刻度C/O測井過程中骨架及流體所占比例系數(shù)，基于公式法進(jìn)行含油飽和度計算[62]。張鋒等提出利用C/O及宏觀俘獲截面的同時測量，實現(xiàn)了未知孔隙度條件下確定含油飽和度[63]。

3.3.5基于伽馬計數(shù)比與FNXS的含氣飽和度計算

不同含氣地層的中子減速能力大有不同，含氣導(dǎo)致地層含氫指數(shù)下降、密度下降，通過伽馬計數(shù)比值的方法反映地層密度和含氫指數(shù)即可完成對氣層的識別。Inanc等通過建立不同孔隙度及流體飽和度的響應(yīng)圖版，利用近、遠(yuǎn)探測器俘獲伽馬計數(shù)比確定含氣飽和度[64]。Gilchrist等提出利用近、遠(yuǎn)探測器記錄快中子與地層作用產(chǎn)生的非彈伽馬射線，并計算兩者比值進(jìn)而確定含氣飽和度，具有測井速度快，受地層水礦化度影響小等優(yōu)點[40]。Zhou提出利用FNXS方法進(jìn)行含氣飽和度計算，利用氣體的高能中子散射能力與骨架、油水的區(qū)分，進(jìn)行含氣解釋，F(xiàn)NXS定義為地層對快中子的散射截面，表2列出了不同地層物質(zhì)密度，俘獲截面，含氫指數(shù)(TPHI)，TNXS及FNXS值。FNXS方法通過純非彈伽馬測量，表征地層對快中子的散射能力，非彈伽馬只能由MeV級別的中子與地層物質(zhì)產(chǎn)生，獨立于中子孔隙度與俘獲截面，該方法具有較好的含氣響應(yīng)靈敏度，而對含水基本無響應(yīng)[65]。

3.3.6X射線地層密度計算

X射線散射能譜計算地層密度原理與常規(guī)Cs-137源的近似，通過建立高能區(qū)(大于0.1 MeV)伽馬計數(shù)的與地層密度的指數(shù)擬合關(guān)系，計算地層密度。結(jié)合高能區(qū)與低能區(qū)(小于0.1 MeV)伽馬計數(shù)計算地層光電截面指數(shù)，利用脊肋圖的方法校正泥餅影響[8]。

表2 地層物質(zhì)密度、俘獲截面、含氫指數(shù)(TPHI)、TNXS及FNXS值[32,65]Table 2 Formation material density, capture cross section, hydrogen content index (TPHI), TNXS and FNXS value[32,65]

4 可控中子及X射線源測井技術(shù)的應(yīng)用

可控中子及X射線源測井技術(shù)，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括常規(guī)油氣資源勘探，套后剩余油氣監(jiān)測，非常規(guī)油氣資源勘探，固體礦產(chǎn)資源勘探和大陸鉆探應(yīng)用。

4.1 油氣資源勘探

油氣勘探中，主要利用可控中子孔隙度，可控中子伽馬密度及X射線密度測井進(jìn)行孔隙物性評價，利用可控中子元素測井技術(shù)進(jìn)行地層巖性評價。

Atfeh等研究了脈沖中子密度儀器在中東碳酸鹽儲層油氣并存復(fù)雜油田的實際應(yīng)用，測井結(jié)果與傳統(tǒng)密度結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)脈沖中子伽馬密度有更高的探測深度，但是縱向分辨率較低；脈沖中子孔隙度測試效果與傳統(tǒng)孔隙度儀器相當(dāng)，在天然氣和頁巖地層，脈沖中子孔隙度測井能夠提供更準(zhǔn)確的含氫指數(shù)[66]。Majidi在俄羅斯西伯利亞油田對比了隨鉆中子伽馬密度儀器和傳統(tǒng)密度儀器在多種不同測井環(huán)境下的數(shù)據(jù)結(jié)果；由于縱向分辨率和探測深度的不同，兩種儀器在分辨薄層、地層界面以及含氣地層有明顯差異，但是完全一致的巖性分析證明了中子伽馬密度的可行性[67]。Herron在格林河頁巖油區(qū)，利用可控中子元素測井技術(shù)確定地層元素及礦物含量根據(jù)地區(qū)特點，結(jié)合白云巖，石灰?guī)r及總碳含量計算地層有機碳含量，并將計算結(jié)果與巖心數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖13所示，圖中藍(lán)線為TOC計算值，紅點為巖心分析TOC結(jié)果，二者的吻合效果較好，表明此方法在儲層巖性及TOC評價方面的有效性[68]。

圖13 TOC含量的計算結(jié)果與巖心分析結(jié)果對比[68]Fig.13 Comparison of calculation results of TOC content with core analysis results[68]

4.2 套后剩余油氣監(jiān)測

可控中子飽和度測井技術(shù)是套后剩余油氣監(jiān)測重要手段，通過地層C/O，俘獲截面，非彈及俘獲伽馬計數(shù)比進(jìn)行地層含油或含氣飽和度計算。

Amer等結(jié)合C/O測井和俘獲截面測井進(jìn)行地層含油飽和度確定，首先利用俘獲截面測井在未知礦化度井段測量，在該井段頂部通過C/O測量確定地層含油飽和度，然后結(jié)合該測量值在俘獲截面測井中反演計算地層水俘獲截面，最終完成全井段含油飽和度的測量，大大提高了測井效率[69]。Raeesi利用MDPN飽和度測井儀在空氣井眼中進(jìn)行地層含氣探測，由于井眼含氣使得地層含氣探測靈敏度大大降低，為提高儀器在空氣井眼中的探測靈敏度，在儀器周圍增加襯管，占據(jù)大部分井眼空間，從而提高了地層含氣探測靈敏度[70]。Kim等根據(jù)C/O對油水區(qū)分明顯，而伽馬計數(shù)比對氣水區(qū)分明顯的特征，利用三角分布方法確定地層三相流體飽和度,如圖14所示，圖中藍(lán)色、綠色及紅色區(qū)域分別代表套后水、油、氣對應(yīng)的測井解釋結(jié)果[71]，解釋結(jié)果為套后油氣開發(fā)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

4.3 固體礦產(chǎn)資源勘探

在固體礦產(chǎn)資源勘探中，礦產(chǎn)品位井中準(zhǔn)確測量可大大提高勘探效率，避免大量巖樣獲取及分析工作。利用可控中子元素測井技術(shù)及X射線熒光測井技術(shù)直接確定地層礦產(chǎn)元素含量，為固體礦產(chǎn)資源勘探提供了方便的技術(shù)手段。Charbucinski利用可控中子地層元素測井技術(shù)在井孔中測量銅礦品位，分析了不同品位銅礦伽馬能譜，分析了銅礦品位測量結(jié)果，應(yīng)用于銅礦的現(xiàn)場測量[72-73]。

5 展望

目前可控中子及X射線探測已在各個領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，為“無源”放射性探測理論研究和儀器制造奠定了大量的科學(xué)基礎(chǔ)。

圖14 套后油氣水飽和度解釋結(jié)果[71]Fig.14 Interpretation of oil, gas and water saturation[71]

基于可控中子源的測井技術(shù)發(fā)展較早，目前已經(jīng)達(dá)到了較高的技術(shù)水平。結(jié)合新型探測器的利用，多探測器設(shè)計，多脈沖測量時序設(shè)計及多譜數(shù)據(jù)綜合處理，已逐步實現(xiàn)了地層孔隙度、油氣飽和度、地層元素等地質(zhì)多參數(shù)的一體化測量，為復(fù)雜油氣藏勘探與開發(fā)提供重要技術(shù)手段。

基于可控X射線源的測井技術(shù)發(fā)展較為緩慢，目前主要發(fā)展了X射線熒光測井技術(shù)及X射線密度測井技術(shù)，實現(xiàn)了井周地層密度及高原子序數(shù)的地層元素測量。隨著X射線測井儀器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化及高性能X射線管的研發(fā)，未來X射線測井技術(shù)將會有更好的應(yīng)用前景。

針對可控中子及X射線源測井技術(shù)的未來發(fā)展，可從以下幾個方面入手：

(1) 中子伽馬及X射線的探測理論基礎(chǔ)研究，根據(jù)不同探測目的，綜合分析地層中子及伽馬射線在能量、時間及空間的分布規(guī)律，分別開展X射線低能與高能區(qū)的精細(xì)探測，拓展可控中子及X射線探測在地質(zhì)參數(shù)評價中的應(yīng)用。

(2) 具有高產(chǎn)額，長壽命，高耐溫及耐壓等適用于復(fù)雜測井環(huán)境的高性能可控中子源、X射線管及新型探測器的研發(fā)及應(yīng)用，以獲取更好質(zhì)量的譜數(shù)據(jù)信息，聯(lián)合不同學(xué)科優(yōu)勢，開展多類型多模式的可控中子及X射線新型儀器研制。

(3) 中子伽馬及X射線譜數(shù)據(jù)處理方法的研究，增強對譜數(shù)據(jù)校正及解析方法研究，以獲取更為準(zhǔn)確的核物理參數(shù)。開展不同譜信息綜合分析及應(yīng)用，以應(yīng)對各種井眼及地層測量環(huán)境，提高對地質(zhì)參數(shù)的測量靈敏度及精度。